Схема импульсного трансформатора: Импульсный трансформатор | принцип работы, отличия

Содержание

Импульсный трансформатор | принцип работы, отличия

Виды трансформаторовИмпульсные трансформаторы, Устройство трансформаторов12 комментариев к записи Как работает импульсный трансформатор

Содержание:

Импульсный трансформатор (ИТ) — это трансформатор, предназначенный для преобразования тока и напряжения импульсных сигналов с минимальным искажением исходной формы импульса на выходе.

Особенностью работы импульсных трансформаторов является то, что на их первичную обмотку поступают однополярные импульсы, которые содержат постоянную составляющую тока, поэтому сердечник работает с постоянным подмагничиванием.

Импульсные трансформаторы применяются в устройствах связи, автоматики, вычислительной техники, при работе короткими импульсами, для изменения их амплитуды и полярности, исключения постоянной.

Принцип работы импульсных трансформаторов   заключается в том, что на них подаются однополярные импульсы с постоянной токовой составляющей, в связи с чем магнитопровод находится в состоянии постоянного подмагничивания.

Ниже показана принципиальная схема подключения такого устройства.

схема работы импульсного трансформатора. Как видите, схема подключения практически идентична с обычными трансформаторами, чего не скажешь о временной диаграмме.

Временная диаграмма иллюстрирующая работу импульсного трансформатора

На первичную обмотку поступают импульсные сигналы, имеющие прямоугольную форму е(t), временной интервал между которыми довольно короткий. Это вызывает возрастание индуктивности во время интервала tu, после чего наблюдается ее спад в интервале (Т-tu).

Перепады индукции происходят со скоростью, которую можно выразить через постоянную времени по формуле: τp=L0/Rн

Коэффициент, описывающий разность индуктивного перепада, определяется следующим образом: ∆В=Вmax – Вr

  • Вmax – уровень максимального значения индукции;
  • Вr –остаточный.

Более наглядно разность индукций представлена на рисунке, отображающем смещение рабочей точки в магнитопроводном контуре ИТ.

График смещения

Как видно на временной диаграмме, вторичная катушка имеет уровень напряжения U2, в котором присутствуют обратные выбросы. Так проявляет себя накопленная в магнитопроводе энергия, которая зависит от намагничивания (параметр iu).

Импульсы тока проходящего через первичную катушку, отличаются трапецеидальной формой, поскольку токи нагрузки и линейные (вызванные намагничиванием сердечника) совмещаются.

Уровень напряжения в диапазоне от 0 до tu остается неизменным, его значение еt=Um. Что касается напряжения на вторичной катушке, то его можно вычислить, воспользовавшись формулой:

при этом:

  • Ψ – параметр потокосцепления;
  • S – величина, отображающая сечение магнитопроводного сердечника.

Учитывая, что производная, характеризующая изменения тока, проходящего через первичную катушку, является постоянной величиной, нарастание уровня индукции в магнитопроводе происходит линейно. Исходя из этого, допустимо вместо производной внести разность показателей, сделанных через определенный интервал времени, что позволяет внести изменения в формулу:

в этом случае ∆t будет отождествляться с параметром tu , который характеризует длительность, с которой протекает входной импульс напряжения.

Чтобы вычислить площадь импульса, с которым напряжение образуется во вторичной обмотке импульсного трансформатора, необходимо обе части предыдущей формулы умножить на tu. В результате мы придем к выражению, которое позволяет получить основной параметр ИТ:

Um x tu=S x W1 x ∆В

Заметим, что от параметра ∆В прямо пропорционально зависит величина площади импульса.

Вторая по значимости величина, характеризующая работу ИТ, – перепад индукции, на него влияют такие параметры, как сечение и магнитная проницаемость сердечника магнитопровода, а также числа витков на катушке:

Здесь:

  • L0 – перепад индукции;
  • µа – магнитная проницаемость сердечника;
  • W1 – число витков первичной обмотки;
  • S – площадь сечения сердечника;
  • l – длинна (периметр) сердечника (магнитопровода)
  • Вr – величина остаточной индукции;
  • Вmax – уровень максимального значения индукции.
  • Hm – Напряженность магнитного поля (максимальная).

Учитывая, что параметр индуктивности импульсного трансформатора полностью зависит от магнитной проницаемости сердечника, при расчета необходимо исходить из максимального значения µа, которое показывает кривая намагничивания. Соответственно, что у материала, из которого делается сердечник, уровень параметра Вr, отображающий остаточную индукцию, должен быть минимальным.

Исходя из этого, в качестве на роль материала сердечника ИТ, идеально подходит лента, изготовленная из трансформаторной стали. Также можно применять пермаллой, у которого такой параметр как коэффициент прямоугольности, минимальный.

Высокочастотным импульсным трансформатором идеально подходят сердечники из ферритовых сплавов, поскольку этот материал отличается незначительными динамическими потерями.

Но из-за его низкой индуктивности приходится делать ИТ больших размеров.

Видео: Как работает импульсный трансформатор / трансформатор своими руками / демонстрация

У импульсного трансформатора (ИП) в отличии от обыкновенного силового трансформатора при одинаковой мощности намного меньше потерь и незначительные габаритные размеры полученные в следствии высокочастотного преобразования.

Основные отличия:

  1. Размер — импульсного трансформатора  обратно пропорционален его рабочей частоте.
  2. Работает трансформатор импульсный от обычного в другой частоте входного напряжения.

В настоящее время большинство блоков питания выполняют на импульсных трансформаторах. Здесь снижение затрат на производство, удешевление стоимости изделия, экономия размеров и веса.

Наиболее важной функцией импульсников является стабилизация напряжения выхода в рабочем режиме.

Другой областью их использования является защита от короткого замыкания на нагрузке при холостом ходе, и защита от чрезмерного возрастания напряжения, а также перегрева устройств.

Особенности конструкций

Основной особенностью конструкции импульсных трансформаторов является малое число витков. Наиболее экономичными стали тороидальные устройства, а менее экономными – бронестержневые. См. Виды магнитопроводов 

Цилиндрическая обмотка обладает свойством малой индуктивности рассеяния, имеет простую конструкцию и технологична в изготовлении. Расположение и число слоев может быть различным, так же, как и схемы их соединений.

Виды обмоток импульсных трансформаторов

Спиральные

Применяются для трансформаторов с наименьшей индуктивностью рассеяния. Их применение целесообразно при автотрансформаторном подключении. Намотка производится тонкой и широкой фольгой или лентой.

Конические

Предназначены для снижения индуктивного рассеяния с незначительным повышением емкости обмоток. Их особенностью является толщина изоляции слоев, которая прямо зависит от напряжения между витками первичной и вторичной обмотки. Толщина изоляции повышается от начала к концу обмоток по линейной зависимости.

Цилиндрические

Имеют низкую индуктивность рассеяния, хорошую технологичность и простую конструкцию.

Потери энергии

Важной проблемой при создании конструкции импульсных трансформаторов является снижение потерь энергии и повышение его КПД.

Потери складываются из:

  • Потери от гистерезиса.
  • Магнитной вязкости.
  • Некачественная изоляция.
  • Вихревые токи.

Кроме простого расчета потерь, для магнитопровода используют высоколегированные марки стали. Это позволяет уменьшить потери и приблизить форму петли гистерезиса к форме прямоугольника. Такие материалы предназначены для обеспечения значительных параметров индукции.

Вихревые токи искусственно разъединяют. А также применяют конструкции магнитных систем с наибольшей магнитной проницаемостью. Такими способами добиваются стабильных параметров вихревого тока в магнитопроводе.

Применяемые материалы

Вид магнитного материала значительно влияет на показатели качества и работу импульсного режима. Материал изготовления сердечника магнитопровода оценивается по значениям величин, которые определяют качество свойств:

  • Удельное сопротивление применяемых материалов прибора.
  • Индукция насыщения.
  • Возможность применения самых тонких листов стали или лент.
  • Коэрцитивная сила.
Электротехническая сталь

Импульсные трансформаторы предпочтительно оснащать магнитопроводами, изготовленными из электротехнической стали марок от 3405 до 3425, которые имеют наиболее высокие значения индукции насыщения и низкие параметры коэрцитивной силы, а также наибольшее значение величины прямоугольности формы петли гистерезисного цикла. Такой материал в настоящее время приобрел большую популярность.

Пермаллой

Этот материал является прецизионным сплавом, обладающим магнито-мягкими свойствами. Он чаще всего состоит из железа и никеля, с добавлением легирующих элементов.

Ферриты

Другим очень востребованным материалом для изготовления импульсных трансформаторов, а точнее, его сердечника являются ферритовые материалы. Они имеют малую длительность трансформируемых импульсов. Такие магнитопроводы обладают повышенным удельным сопротивлением и не имеют потерь от вихревых токов. Они применяются для импульсных трансформаторов с интервалом импульсов, который измеряется несколькими наносекундами.

Система обозначений и маркировки импульсных трансформаторов включает в себя следующие элементы:

  • Первый – буква – Т,
  • Второй – буква И (импульсный) или сочетание букв ИМ. Буква И соответствует трансформаторам с длительностью входного импульса от 0,5 до 100 мкс, а ИМ – от 0,02 до 100 мкс.
  • Третий – число порядковый номер разработки.

Например: обозначение ТИ-5 – трансформатор импульсный с длительностью входного импульса от 0,5 до 100 мкс, номер разработки 5

Видео: Импульсный трансформатор

 

Расчет импульсного трансформатора для двухтактного преобразователя и согласующих устройств / Хабр

В правильно сконструированном двухтактном преобразователе постоянный ток через обмотку и подмагничивание сердечника отсутствуют. Это позволяет использовать полный цикл перемагничивания и получить максимальную мощность. Поскольку трансформатор имеет много взаимозависимых параметров, расчет ведут по шагам, уточняя при необходимости исходные данные.

1. Как определить число витков и мощность?

Габаритная мощность, полученная из условия не перегрева обмотки, равна [1]:

Pгаб = So ⋅ Sc ⋅ f ⋅ Bm / 150           (1)

Где: Pгаб — мощность, Вт;
Sc — площадь поперечного сечения магнитопровода, см2 ;
So — площадь окна сердечника, см2;
f — частота колебаний, Гц;
Bm = 0,25 Тл — допустимое значение индукции для отечественных никель-марганцевых ферритов на частотах до 100 кГц.  

Максимальную мощность трансформатора выбираем 80% от габаритной:

Pmax = 0,8 ⋅ Pгаб           (2)

Минимальное число витков первичной обмотки n1 определяется максимальным напряжением на обмотке Um и допустимой индукцией сердечника Bm:

n1 = ( 0,25 ⋅ 104 ⋅ Um ) / ( f ⋅ Bm ⋅ Sc )           (3)

Размерности единиц здесь те же, что и в формуле (1).

Плотность тока в обмотке j для трансформаторов мощностью до 300 Вт принимаем 3..5 А/мм2 (большей мощности соответствует меньшее значение). Диаметр провода в мм рассчитываем по формуле:

d = 1,13 ⋅ ( I / j )1/2           (4)

Где I — эффективный ток обмотки в А.

Пример 1:

Для ультразвуковой установки нужен повышающий трансформатор мощностью 30..40 Вт. Напряжение на первичной обмотке синусоидальное, с эффективным значением Uэфф = 100 В и частотой 30 кГц.

Выберем ферритовое кольцо К28x16x9.

Площадь его сечения: Sc = ( D — d ) ⋅ h / 2 = ( 2,8 — 1,6 ) ⋅ 0,9 / 2 = 0,54 см2
Площадь окна: So = π ⋅ ( d / 2 )2 = π⋅ ( 1,6 / 2 )2 = 2 см2
Габаритная мощность: Pгаб = 0,54 ⋅ 2 ⋅ 30 ⋅ 103 ⋅ 0,25 / 150 = 54 Вт
Максимальная мощность: Pmax = 0,8 ⋅ 54 = 43,2 Вт
Максимальное напряжение на обмотке: Um = 1,41 ⋅ 100 = 141 В
Число витков: n1 = 0,25 ⋅104 ⋅ 141 / ( 30 ⋅ 103 ⋅ 0,25 ⋅ 0,54 ) = 87
Число витков на вольт: n0 = 87 / 100 = 0,87
Эффективное значение тока первичной обмотки: I = P / U = 40 / 100 = 0,4 A
Плотность тока выберем 5 А/мм2.
Тогда диаметр провода по меди: d = 1,13 ⋅ ( 0,4 / 5 )1/2 = 0,31 мм

2. Как уточнить плотность тока?

Если мы делаем маломощный трансформатор, то можем поиграть с плотностью тока и выбрать более тонкие провода, не опасаясь их перегрева. В книге Эраносяна [2, Стр.109] дана такая табличка:

  Pн, Вт  

1 .. 7  

  8 .. 15  

  16 .. 40  

  41 .. 100  

  101 .. 200  

j, А/мм2

7 .. 12

6 .. 8

5 .. 6

4 .. 5

4 .. 4,5

Почему плотность тока зависит от мощности трансформатора?

Выделяемое количество теплоты равно произведению удельных потерь на объем провода. Рассеиваемое количество теплоты пропорционально площади обмотки и перепаду температур между ней и средой. С увеличением размера трансформатора объем растет быстрее площади и для одинакового перегрева удельные потери и плотность тока надо уменьшать. Для трансформаторов мощностью 4..5 кВА плотность тока не превышает 1..2 А/мм2 [3].

3. Как уточнить число витков первичной обмотки?

Зная число витков первичной обмотки n вычислим ее индуктивность. Для тороида она определяется по формуле:

L = μ0 ⋅ μ ⋅ Sс ⋅ n2 / la        (5)

Где:
Площадь   дана в м2
средняя длина магнитной линии la в м;
индуктивность в Гн;
μ0 = 4π ⋅ 10-7 Гн/м — магнитная постоянная.

В инженерном виде эта формула выглядит так:

L = AL n2        (5А)    ,     n = ( L / AL )1/2        (5Б)

Коэффициент AL и параметр мощности Sо ⋅ Sc для некоторых типов колец приведены в Таблице 2 [4,5,6]:

Кольцо

К7х4х2

К10х6х3

К10х6х4,5

К16х10х4,5

К20х12х6

К32х20х6

К38х24х7

К40х25х11

AL , нГн/вит2 ± 25%

224

310

460

430

620

570

650

1050

Sc , см4

0,004

0,017

0,025

0,106

0,271

1,131

2,217

4,050

Для работы трансформатора в качестве согласующего устройства должно выполняться условие:

L > ( 4 . . 10 ) ⋅ R / ( 2 ⋅ π ⋅ fmin )         (6)

Где L — индуктивность в Гн;
R = U2эфф / Pн приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки Ом;
fmin — минимальная частота, Гц.

В ключевых преобразователях в первичной обмотке трансформатора текут два тока: прямоугольный ток нагрузки Iпр = Um / R и треугольный ток намагничивания обмотки IT:

Для нормальной работы преобразователя величина треугольной составляющей не должна превышать 10% от прямоугольной, т.е индуктивность обмотки должна удовлетворять неравенству:

L > 5 R / f         (7)

При необходимости число витков увеличивают или применяют феррит с большей μ. Чрезмерно завышать число витков в обмотке не желательно. Из-за роста межвитковой емкости на рабочей частоте могут возникнуть резонансные колебания.

Выбранный феррит должен иметь достаточную максимальную индукцию и малые потери в рабочей полосе частот. Как правило, на низких частотах (до 1 МГц) применяют феррит с μ = 1000 .. 6000 , а на радиочастотах приходиться использовать материалы с μ = 50 .. 400.

Пример 2:

Трансформатор из Примера 1 намотан на кольце К28х16х9 из никель-марганцевого феррита 2000НМ с магнитной проницаемостью μ = 2000.
Мощность нагрузки P = 40 Вт , эффективное напряжение первичной обмотки Uэфф = 100 В , частота f = 30 кГц. Уточним число его витков.

Приведенное сопротивление нагрузки:  R = 1002 / 40 = 250 Ом
Площадь поперечного сечения магнитопровода:  Sc = 0,54 см2 = 0,54 ⋅ 10 -4 м2
Средняя длина магнитной линии: la = π ( D +d ) / 2 = π ( 2,8 + 1,6 ) ⋅ 10 -2 / 2 = 6,9 ⋅ 10 -2 м
Коэффициент индуктивности: AL = 4π ⋅ 10-7 ⋅ 2000 ⋅ 0,54 ⋅ 10 -4 / 6,9⋅10-2 = 1966 нГн / вит2

Минимальная индуктивность первичной обмотки по формуле (6): 
L = 10 ⋅ 250 / ( 2π ⋅ 3 ⋅ 104 ) = 13,3 мГн
Число витков: n = (13,3 ⋅ 10 -3 / 1,963 ⋅ 10 -6 ) 1/2 = 82      

Оно даже меньше, чем рассчитанное ранее в Примере 1  nmin = 87.
Таким образом, условие достаточной индуктивности выполнено и число витков первичной обмотки n = 87.

4. Какие ферриты можно применить и почему?

Как известно, сердечник в трансформаторе выполняет функции концентратора электромагнитной энергии. Чем выше допустимая индукция B и магнитная проницаемость μ , тем больше плотность передаваемой энергии и компактнее трансформатор. Наибольшей магнитной проницаемостью обладают т.н. ферромагнетики — различные соединения железа, никеля и некоторых других металлов.

Магнитное поле описывают две величины: напряженность Н (пропорциональна току обмотки) и магнитная индукция В (характеризует силовое действие поля в материале). Связь В и H называют кривой намагничивания вещества. У ферромагнетиков она имеет интересную особенность — гистерезис (греч. отстающий) — когда мгновенный отклик на воздействие зависит от его предыстории.

После выхода из нулевой точки (этот участок называют основной кривой намагничивания) поля начинают бегать по некой замкнутой кривой (называемой петлей гистерезиса). На кривой отмечают характерные точки — индукцию насыщения Bs, остаточную индукцию Br и коэрцитивную силу Нс.

Рис.1. Магнитные свойства ферритов. Слева форма петли гистерезиса и ее параметры. Справа основная кривая намагничивания феррита 1500НМ3 при различных температурах и частотах: 1 — 20кГц, 2 — 50кГц, 3 — 100 кГц.

По значениям этих величин ферромагнетики условно делят на жесткие и мягкие. Первые имеют широкую, почти прямоугольную петлю гистерезиса и хороши для постоянных магнитов. А материалы с узкой петлей используют в трансформаторах. Дело в том, что в сердечнике трансформатора есть два вида потерь — электрические, и магнитные. Электрические (на возбуждение вихревых токов Фуко) пропорциональны проводимости материала и частоте, а вот магнитные тем меньше, чем меньше площадь петли гистерезиса.

Ферриты это пресс порошки окисей железа или других ферромагнетиков спеченные с керамическим связующим. Такая смесь сочетает два противоположных свойства — высокую магнитную проницаемость железа и плохую проводимость окислов. Это минимизирует как электрические, так и магнитные потери и позволяет делать трансформаторы, работающие на высоких частотах. Частотные свойства ферритов характеризует критическая частота fc , при которой тангенс потерь достигает 0,1. Тепловые — температура Кюри Тс , при которой μ скачком уменьшается до 1.

Отечественные ферриты маркируются цифрами, указывающими начальную магнитную проницаемость, и буквами, обозначающими диапазон частот и вид материала.

Наиболее распространен низкочастотный никель-цинковый феррит, обозначаемый буквами НН. Имеет низкую проводимость и сравнительно высокую частоту fc. Но у него большие магнитные потери и невысокая температура Кюри.

Никель-марганцевый феррит имеет обозначение НМ. Проводимость его больше, поэтому fc низкая. Зато малы магнитные потери, температура Кюри выше, он меньше боится механических ударов.

Иногда в маркировке ферритов ставят дополнительную цифру 1, 2 или 3. Обычно, чем она выше, тем более температурно стабилен феррит.

Какие марки ферритов нам наиболее интересны?

Для преобразовательной техники хорош термостабильный феррит 1500НМ3 с fc=1,5 МГц, Bs=0,35..0,4 Тл и Tc=200 ℃.

Для спец применений выпускают феррит 2000НМ3 с нормируемой дезакаммодацией (временной стабильностью магнитной проницаемости). У него fc=0,5 МГц, Bs=0,35..0,4 Тл и Tc=200 ℃.

Для мощных и компактных трансформаторов разработаны ферриты серии НМС. Например 2500НМС1 с Bs=0,45 Тл и 2500НМС2 c Bs=0,47 Тл. Их критическая частота fc=0,4 МГц, а температура Кюри Tc>200 ℃.

Что касается допустимой индукции Bm, этот параметр подгоночный и в литературе не нормируется. Ориентировочно можно считать Bm = 0,75 Вsmin. Для никель-марганцевых ферритов это дает примерно 0,25 Тл. С учетом падения Bs при повышенных температурах и за счет старения в ответственных случаях лучше подстраховаться и снизить Bm до 0,2 Тл.

Основные параметры распространенных ферритов сведены в Таблицу 3:

Марка

100НН

400НН

600НН

1000
НН

2000
НН

2000
НМ

1000
НМ3

1500
НМ1

1500
НМ3

μнач

80. .120

350..
500

500..
800

800..
1200

1800..
2400

1700..
2500

800..
1200

1200..
1800

1200..
1800

fc, МГц

7

3,5

1,5

0,4

0,1

0,5

1,8

0,7

1,5

Tc, ℃

120

110

110

110

70

200

200

200

200

Bs, Тл

0,44

0,25

0,31

0,27

0,25

0,38..
0,4

0,33

0,35..
0,4

0,35..
0,4

5. Насколько нагреется сердечник?

Потери в магнетике.

При частоте менее критической потери энергии в магнетике складываются в основном из потерь на перемагничивание, а вихретоковыми можно пренебречь.

Опыт и теория показывают, что потери энергии в единице объема (или массы) на одном цикле перемагничивания прямо пропорциональны площади петли гистерезиса. Следовательно мощность магнитных потерь:

PH = P0 ⋅ V ⋅ f      (8)

Где:
P0 – удельные потери в единице объема (измеренные на частоте f0 при индукции B0 ) ;
V – объем образца.

Таблица 4. Удельные объемные потери в ферритах 2500НМС при f0 =16 кГц ; B0=0,2 Тл:

T , oC  

P0 , мкВт / ( см 3 ⋅ Гц )

2500НМС1

2500НМС2

25

10,5

8,5

100

8,7

6

Однако, с ростом частоты индукция насыщения уменьшается, петля гистерезиса деформируется, а потери растут. Для учета этих факторов Штейнмец (C. P. Steinmetz, 1890-1892) предложил эмпирическую формулу:

PH = P1 ⋅ m ⋅ ( f / f1 ) α ( B / B1) β      (9)

Условились [7, Стр.54], что f1 = 1 кГц, B1 = 1 Тл.
Величины P1, α, β и массу сердечника m указывают в справочнике.

Таблица 5. Удельные потери в некоторых ферритах

Марка

1500НМ3

2000НМ1-А,Б

2000НМ3

2000НМ-17

3000
НМ-А

6000НМ-1

f

0,4..100 кГц

0,1..1 МГц

0,4..100 кГц

0,1..1 МГц

0,4..200 кГц

20..50 кГц

50..100 кГц

P1,
Вт / кг

23,2

32±7

13±3

44,6

63±10

25±4

48±8

11±2

38±0,8

α

1,2

1,2

1,4

1,3

1,2

1,4

1,2

1,35

1,6

β

2,2

2,4

2,7

2,85

2,76

2,69

2,6

Потери в меди.

Омические потери в первичной обмотке при комнатной температуре и без учета скин-эффекта:

PM1 = I2 эфф ( ρ / Sm ) ( ( D — d ) + 2h ) ⋅ n1      (10)

Где:
Iэфф — эффективный ток,
D — внешний, d — внутренний диаметр кольца, h — его высота в метрах;
n1 — число витков; Sm — поперечное сечение провода, в мм2 ;
ρ = 0,018 Ом ⋅ мм2 / м — удельное сопротивление меди.

Суммарные потери во всех обмотках при повышенной температуре окружающей среды:

PM = ( PM1 + PM2 + .. )( 1 + 0,004 ( T — 25oC ) )      (11)

Общие потери в трансформаторе.

Потери в магнетике и меди:

PΣ = PH + PM      (12)

Предполагаемая температура перегрева при естественной конвекции:

ΔT = PΣ / ( αm Sохл )      (13)

Где αm = (10. .15) -4 Вт/(см2oС)     ,     Sохл = π /2 ( D2 — d2 ) + π h ( D + d )

Пример 3:

Найдем потери в трансформаторе из Примеров 1 и 2. Для простоты считаем, что вторичная и первичная обмотка одинаковые. 

Эффективный ток первичной обмотки Iэфф = 0,4 А.

Потери в меди первичной обмотки:
PM1 = 0,42 ⋅ ( 0,018 / 0,08 ) ⋅ ( 28 — 16 + 18 ) ⋅ 10 -3 ⋅ 87 ≈ 0,1 Вт.

Потери в меди обеих обмоток: PM = 0,2 Вт.

Согласно справочным данным для феррита 2000НМ P1 = 32 Вт / кг ; α = 1,2 ; β = 2,4 ; масса сердечника К28х16х9 равна 20 грамм.

Потери в феррите: PH = 32 ⋅ ( 30 / 1 ) ⋅ 1,2 ⋅ ( 0,25 / 1 ) ⋅ 2,4 ⋅ 20 ⋅ 10 -3= 1,36 Вт

Суммарные потери в трансформаторе:   PΣ = 1,56 Вт.     

Ориентировочный КПД = ( 40 — 1,56 ) / 40 ⋅ 100% ≈ 96%

6. Как учесть инерционные свойства трансформатора?

На Рис.2. показана T-схема замещения трансформатора. В нее входят сопротивление источника ri , приведенное сопротивление нагрузки R = n2   или R = Pн / U2эфф   ,     где n = U1 / U2 — коэффициент трансформации, Uэфф — эффективное напряжение первичной обмотки.

Рис.2. Эквивалентная схема трансформатора.

Инерционные свойства трансформатора определяют малые индуктивности рассеяния Ls, индуктивность намагничивания (почти равна индуктивности первичной обмотки L1), параллельная емкость обмотки Сp (т.н. динамическая емкость) и последовательная емкость между обмотками Сп.

Как оценить индуктивности и емкости?

L1 рассчитывают по формуле (5) или измеряют экспериментально.
Согласно [8] индуктивность рассеивания по порядку величины равна Ls ~ L1 / μ.
Емкость Ср составляет примерно 1 пФ на виток.

Трансформатор работает подобно полосовому фильтру. На малых частотах он представляет собой ФВЧ с частотой среза ωн = R / Lμ.
На высоких частотах элементы Ls и Cp образуют ФНЧ с частотой среза ωв ≈ ( Ls Cp )-1/2
Последовательная емкость Сп невелика и на работу практически не влияет.

В модели есть два характерных резонанса:

Низкочастотный (резонанс намагничивания) в параллельном контуре Lμ Ср.
Его частота   fμ ≈ ( 1/ 2 π ) ⋅ (Lμ Cp )-1/2  , а добротность
Qμ ≈ ( ri || R ) ⋅ ( Lμ / Cp)-1/2      (14)

Высокочастотный (резонанс рассеивания) в контуре, образованном Ls и .
Его частота fs ≈ ( 1/ 2 π ) ⋅ (Ls Cp )-1/2   , а добротность   Qs ≈ ( Ls / Cp)1/2 / ri         (15)

Как влияют резонансы обмотки?

Амплитудно-частотная характеристика трансформатора похожа на АЧХ полосового фильтра, но на ее верхнем краю резонанс fs дает характерный пик.

Реакция же на импульсы напряжения зависит от способа включения источника и величин сопротивлений схемы.

При малом внутреннем сопротивлении источника riпроявляется лишь резонанс fs в виде характерного «звона» на фронтах импульсов.
Если же источник подключается через ключ, то при его размыкании могут возникать интенсивные колебания с частотой  fμ.

Рис.3. Пример АЧХ и переходного процесса в трансформаторе. Его эквивалентная схема дана ниже на рисунке 4.

7. Экспериментальное измерение параметров импульсного трансформатора.

Для пробы было взято кольцо из феррита 3000НМ размера К10х6х2. Первичная обмотка составляла 21 виток; вторичная 14; коэффициент трансформации n = 1,5 ; сопротивление нагрузки равнялось 4,7 кОм; источником служил генератор прямоугольных импульсов на TTL микросхемах с уровнем 6В, частотой 1 МГц и внутренним сопротивлением ri ≈ 200 Ом.

Рассчитаем теоретические параметры:

Sc = 4 ⋅ 10 -6 м2 , la = 25,13 ⋅ 10 -3 м , ALтеор = 600 нГн / вит2 , L1теор = 0,6 ⋅ 212 = 265 мкГн, Ls теор ≈ 265/3000 = 0,09 мкГн , Сp теор ≈ 21+14 = 35 пФ.
Приведенное сопротивление нагрузки R = n2 Rн = 2,25 ⋅ 4,7 ~ 10 кОм.

Результаты измерений индуктивностей прибором АКИП-6107:

L1 = 269 мкГн ,   L2 = 118 мкГн , закоротив вторичную обмотку получим 2Ls = 6,8 мкГн, что на два порядка выше ее теор оценки.

Динамическую емкость Cp можно оценить по формуле (15), подав на трансформатор прямоугольные импульсы и измерив при помощи осциллографа период колебаний «звона» на фронтах импульсов на выходе вторичной обмотки. Частота «звона» fs оказалась 18,5 МГц , что дает Ср ≈ 21 пФ и неплохо согласуется с теор оценкой.

Для сравнения с опытом эквивалентная схема с измеренными параметрами моделировалась в программе LT Spice.

Рис.4. Модель трансформатора. Vout — приведенное напряжение, фактическое будет в n раз меньше.Рис.5. Результаты эксперимента. Масштаб вертикальной шкалы 1 вольт на деление.

Итак, модель, построенная на основе измеренных Lμ , Ls и Cp вполне согласуется с экспериментом.

Теоретическая оценка [8] емкости 1 пФ на виток для малых колец приемлема, но оценка индуктивности рассеяния на два порядка расходится с фактической. Ее проще определять на опыте.

Приложение 1. Вывод формулы для числа витков.

При подаче напряжения U на обмотку в ней возникнет ЭДС индукции E:
U = -E = n Sc dB / dt

Для синусоидального напряжения с амплитудой Um:
Um = n Sc ω Bm
Откуда число витков: n = Um / ( Sc ω Bm )

Выразив круговую частоту через обычную, а площадь в см2 получим инженерную формулу:

n = 0,16 ⋅ 104 / ( f ⋅ Bm⋅ Sc )

Для прямоугольного напряжения величиной Um приращение индукции: 
dB = dt Um / ( n Sc )
Интегрируя ее по времени от 0 до T/2 и учитывая, что за половину периода поле изменится от -Bm до +Bm получим:     2Bm = ( T / 2) Um / ( n Sc )

Выразив период через частоту, а площадь в см2 получим инженерную формулу:

n = 0,25 ⋅104 / ( f ⋅ Bm ⋅ Sc )

Она пригодна для обоих случаев.

Приложение 2. Вывод формулы для габаритной мощности трансформатора.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея связь напряжения на катушке с изменением магнитной индукции в ней:  

U dt = n Sc dB

За время от 0 до T/2 индукция изменится от -Bm до +Bm.  Интегрируя в этих пределах получим среднее напряжение:

Uср = 4n  ⋅  Sc ⋅  Bm ⋅  f

Где:

Но приборы измеряют не среднее, а действующее напряжение, которое эквивалентно постоянному по энергии. Связь среднего и действующего напряжения дает коэффициент формы кф = Uэфф / Uср . Для меандра он равен 1, для синуса 1,11.

Отсюда эффективное напряжение на катушке:
Uэфф = 4 ⋅  кф ⋅  n ⋅  Sc ⋅  Bm ⋅  f

Габаритную мощность оценим из следующих соображений. Частота f не велика, потери на вихревые токи и перемагничивания малы и мощность ограничена лишь перегревом обмотки. Его определяет максимальная плотность тока j , одинаковая для обоих обмоток.

Определим габаритную мощность как полусумму мощностей первичной и вторичной обмоток.

Pгаб = ( P1+P2 ) / 2 = ( Uэфф1⋅ I1 + Uэфф2 ⋅ I2 ) / 2 = j ( S1 n1 + S2 n2 ) 4 кф Sc Bm f / 2       

Где S1 и S2 площади витка первичной и вторичной обмоток.

Это соотношение можно записать через площадь меди Sm: 

Pгаб = 2⋅  кф ⋅ f ⋅ Sc ⋅ Sm ⋅ Bm ⋅ j

Площадь меди связывают с коэффициентом заполнения окна σ = Sm / Sо.

Сигма это некий эмпирический коэффициент, равен минимум 0,15 для однослойной обмотки и максимум 0,4 для многослойной (больше не поместится).

В итоге наша формула имеет вид:

Pгаб = 2 ⋅ кф ⋅ σ⋅  f ⋅ Sc⋅  Sо ⋅ Bm ⋅ j 

Все величины здесь в СИ.

Допустим, что напряжение имеет форму меандра, кф = 1. Выбирая плотность тока j = 2,2 А / мм2 ; коэффициент заполнения σ = 0,15 ; выразив площади в см2 ; Bm в Тл ; частоту в Гц получим расчетную формулу:

Pгаб = Sc ⋅ So ⋅ f ⋅ Bm / 150

Как видно, эта формула выведена с большим запасом, реально можно получить с трансформатора и большую мощность.

Литература.

  1. Косенко С. “Расчёт импульсного трансформатора двухтактного преобразователя” // Радио, №4, 2005, с. 35 — 37, 44.

  2. Эраносян С. А. Сетевые блоки питания с высокочастотными преобразователями. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991,— 176 с: ил.

  3. С. В. Котенёв, А. Н. Евсеев. Расчет и оптимизация тороидальных трансформаторов и дросселей. — М.: Горячая линия-Телеком, 2013. — 359 с.: ил.

  4. А. Петров «Индуктивности, дроссели, трансформаторы «// Радиолюбитель, №12, 1995, с.10-11.

  5. Михайлова М.М., Филиппов В.В., Муслаков В.П. Магнитомягкие ферриты для радиоэлектронной аппаратуры. Справочник. — М.: Радио и связь, 1983. — 200 с., ил.

  6. Расчетные геометрические параметры кольцевых сердечников.

  7. Б.Ю.Семенов. Силовая электроника для любителей и профессионалов. М. : Солон-Р, 2001. — 327 с. : ил

  8. Курс лекций «Импульсная техника» для студентов 4-го курса кафедры Радиофизики. Глава 3.

Обсуждено

типов, преимуществ и областей применения

29 июля 2022 г.

Многие энергоемкие приложения используют мощные и быстрые электрические импульсы в своих цепях нагрузки. Эти импульсные требования не могут быть выполнены обычными повышающими и понижающими трансформаторами, и именно здесь импульсные трансформаторы могут иметь значение. Это один из наиболее широко используемых вариантов трансформатора в различных отраслях промышленности. Эти трансформаторы имеют компактную конструкцию и обеспечивают превосходную повторяемость в энергоемких приложениях. В том, что все? Нет, это еще не все. В этом посте подробно анализируются эти трансформаторы, включая их типы, конструкции, работу, преимущества и многое другое. Следите за обновлениями?

Импульсные трансформаторы и описание их типов

Импульсные трансформаторы предназначены для передачи электрических импульсов при рабочих сигналах. Трансформаторы действуют как интерфейс между нагрузкой и сетью формирования импульсов. Они согласовывают импеданс нагрузки с PFN, что помогает повысить энергоэффективность этих устройств. Большинство импульсных трансформаторов передают мощность и энергию; однако импульсные трансформаторы также передают цифровую информацию, что сильно отличает их от обычных трансформаторов. Эти трансформаторы рассчитаны на определенные частоты импульсов и пиковые напряжения. Они производят прямоугольные импульсы, также известные как сигналы прямоугольной формы. В дополнение к цифровым схемам передачи эти трансформаторы также используются в транзисторах в схемах управления затвором. Как правило, эти трансформаторы используются в схемах, где выходные импульсы измеряются в приложениях с очень высокой мощностью.

Импульсные трансформаторы в основном делятся на два типа – сигнальные и силовые в зависимости от их конструкции.

  • Силовые трансформаторы : Эти трансформаторы предназначены для изменения напряжения с одной конфигурации уровня на другую. Силовые трансформаторы доступны в однофазной первичной конфигурации. Эти конфигурации также различаются в зависимости от соединения их обмотки.
  • Преобразователи сигналов: Они передают информацию между цепями посредством электромагнитной индукции. Сигнальные трансформаторы увеличивают или уменьшают напряжение между двумя сторонами трансформатора. В этих трансформаторах изменение напряжения определяется соотношением витков числа обмоток.

Почему импульсные трансформаторы популярны

Эти трансформаторы с годами приобрели огромную популярность по следующим причинам:

  • Они обеспечивают высокое напряжение изоляции, поэтому они используются в приложениях с электрической изоляцией.
  • Эти трансформаторы обладают способностью передачи высокой энергии. Энергия обычно эффективно передается при широкой ширине импульса и коротком времени нарастания трансформатора. Он имеет высокопроницаемый ферритовый сердечник, который помогает минимизировать индуктивность рассеяния. Высокое сопротивление трансформатора по напряжению делает его идеальным для крупномасштабных приложений.
  • В состав трансформаторов входят абразивные смолы, которые помогают свести к минимуму вибрации или электрическое сопротивление в цепи. Эти абразивы входят в состав вакуумной заливки, а гель силиконового каучука или термореактивные пластмассы являются распространенными типами используемых абразивов.
  • Обмотки этих трансформаторов имеют гальваническую развязку между собой, что позволяет предотвратить прохождение через них блуждающих токов. Изоляция также позволяет первичной и вторичной цепям использовать отдельные потенциалы. Изоляция колеблется от 200 кВ для мощных машин до 4 кВ для небольших трансформаторов.
  • Импульсные трансформаторы
  • имеют большое количество обмоток и одновременно используют много транзисторов. Это помогает свести к минимуму задержки или фазовые сдвиги и приводит к меньшему количеству оборотов, чем другие передатчики. Меньшее количество витков может означать большую мощность и меньшее сопротивление.

Важные технические характеристики импульсного трансформатора

Эти трансформаторы определяются на основе следующих факторов:

  1. Время нарастания (Tr): Это время, необходимое выходному сигналу для увеличения его пиковой амплитуды импульса с 10% до 90%.
  2. Амплитуда импульса: Это максимальное пиковое значение, полученное от сигнала, не считая незначительных всплесков.
  3. Ширина импульса: Это временной интервал между первым и последним моментом, когда амплитуда достигает 50% пиковой амплитуды.  
  4. Перерегулирование: Это выходной сигнал, превышающий пиковую амплитуду.
  5. Fall Time (Tf): Это время, необходимое выходному сигналу для уменьшения его пиковой амплитуды с 9От 0% до 10% по всему ответу заднего фронта. Это время также известно как время затухания.
  6. Спад: Он также известен как наклон и относится к смещению амплитуды импульса через отклик уровня.
  7. Обратный ход: Часть задней кромки, расширяющаяся под амплитудой нулевого уровня, называется обратным ходом.

Обсуждаемые области применения импульсных трансформаторов

Импульсные трансформаторы обычно находят применение в следующих схемах:

  • Полупроводники
  • Радар
  • Лазерные системы
  • Медицинское оборудование
  • Линии передачи
  • Телекоммуникационные цепи
  • Вакуумные приложения
  • Аналоговые схемы переключения
  • Схемы СВЧ-ламп и многое другое

Получение знаний о различных аспектах этих трансформаторов действительно полезно, если вы планировали инвестировать в них. Однако не менее важно сотрудничать с надежным и опытным поставщиком, таким как Custom Coil. Компания предлагает индивидуальные импульсные трансформаторы с индивидуальными спецификациями. Выбирая продукт компании, клиенты могут получить различные преимущества, такие как вакуумная герметизация, экранирование заземления, устойчивость к высокому напряжению, эффекты частичного разряда, а также широкий выбор токов зажигания, коэффициентов трансформации и напряжений. Вы можете связаться с командой Custom Coils, чтобы обсудить требования к импульсному трансформатору. Специалисты помогут подобрать нужный дизайн и технические характеристики.

Импульсные трансформаторы

Что такое импульсный трансформатор » Electronics Notes

Импульсные трансформаторы

используются для передачи импульсов, часто для управления цепями или передачи данных, а также обеспечивают гальваническую или резистивную изоляцию между двумя цепями.


Трансформаторы Включает:
Трансформаторы, типы, области применения Импульсные трансформаторы Автотрансформаторы и вариаторы

См. также: Типы индукторов Характеристики индуктора


Импульсные трансформаторы — это форма трансформатора, предназначенная для передачи импульсов с хорошим уровнем точности, а не синусоидальных волн.

Большинство трансформаторов используются для передачи энергии, как в случае с линейными или сетевыми трансформаторами, и даже аудиотрансформаторы передают мощность звука, а ВЧ-трансформаторы передают мощность ВЧ. Вместо этого импульсные трансформаторы используются для передачи информации с использованием цифровых сигналов или импульсов.

Эти цифровые сигналы или импульсы могут использоваться для передачи данных или для управления схемой, которая управляется импульсами.

Обычно входной и выходной сигнал или импульсный трансформатор представляет собой прямоугольную волну напряжением в несколько вольт и часто имеет частоту, превышающую 100 кГц.

Тип характеристик, требуемый для импульсных трансформаторов, требует несколько иного подхода к проектированию, чем тот, который используется для более стандартных трансформаторов, хотя основные концепции остаются прежними.

Понимание импульсных трансформаторов: основы

Целью импульсного трансформатора является передача импульсов от входа к выходу с минимальным уровнем искажений.

Для этого трансформатор должен передавать приложенный к нему сигнал с минимальным уровнем падения напряжения, при котором плоская вершина импульса падает после того, как он прошел через импульсный трансформатор.

Время нарастания также должно быть быстрым, чтобы приспосабливаться к передним фронтам импульса, и, аналогичным образом, оно должно также приспосабливаться к крутизне спада сигнала.

Конструкция этих трансформаторов не так проста, как конструкция стандартного трансформатора переменного тока. Для этих трансформаторов поток будет чередоваться вперед и назад.

Типовой импульсный трансформатор работает в так называемом униполярном режиме, когда импульсы чередуются между двумя уровнями, но с одним и тем же уровнем намагниченности, т.е. не пересекают нулевую линию.

Импульсные трансформаторы

обычно работают на высоких частотах, а это означает, что необходимо использовать сердечники с малыми потерями, поэтому ферриты широко используются в качестве сердечников для импульсных трансформаторов.

Импульсные трансформаторы

можно разделить на две основные категории: силовые трансформаторы и сигнальные трансформаторы.

  •   Силовой импульсный трансформатор

Как следует из названия, силовые импульсные трансформаторы используются для подачи питания на различные элементы в виде импульсов. Например, их можно использовать для обеспечения контролируемого уровня мощности устройства, которое может представлять собой нагревательный элемент какой-либо формы или, возможно, другой элемент, который управляется цифровым источником драйвера мощности с использованием широтно-импульсной или периодической модуляции.

Для этих трансформаторов вполне возможно, что соотношение витков будет не 1:1, а изменено для обеспечения требуемого напряжения на управляемом элементе.

Трансформатор обеспечивает электрическую резистивную или гальваническую развязку между входной и выходной цепями, что позволяет изолировать обе цепи друг от друга.

  •   Преобразователь импульсов сигнала

Как следует из названия, преобразователи сигнальных импульсов используются для передачи управляющих сигналов, а уровни мощности совсем не высоки. Уровни мощности, как правило, довольно низкие, и эти трансформаторы сосредоточены на обеспечении хорошего импульса низкого уровня в цепи, которая управляется.

Часто эти импульсные трансформаторы могут использоваться для управления другими цепями управления, возможно, с использованием полевых транзисторов или тринисторов, а также там, где требуется изоляция. Мощные полевые транзисторы и тиристоры могут быть управляющими цепями с высокими уровнями напряжения, поэтому может потребоваться обеспечить изоляцию между источником управляющего сигнала и управляемой схемой.

Импульсные трансформаторы

также могут использоваться в различных приложениях в системах связи и цифровых сетях, где может быть необходимо изолировать различные участки для улучшения целостности сигнала или общего обеспечения изоляции.

Во многих из этих приложений трансформатор должен минимизировать уровни искажений, поэтому это будет важным элементом спецификации.

Требования к импульсным трансформаторам

Фактические характеристики и рабочие параметры импульсных трансформаторов во многом зависят от конкретной схемы и приложений, для которых они используются.

Параметры, включая размер, индуктивность, импеданс и множество других показателей, будут варьироваться в зависимости от требований.

Как правило, полоса пропускания должна быть широкой, чтобы форма импульса соответствовала минимальному уровню искажений.

Кроме того, трансформаторы обычно минимизируют уровни паразитных элементов, таких как индуктивность рассеяния и емкость обмоток, за счет использования конфигураций обмоток, которые оптимизируют связь между обмотками, сохраняя при этом паразитные элементы небольшими. Часто они имеют только две обмотки, поскольку это также сводит к минимуму утечку потока.

Другие общие черты включают материал сердечника, который может работать на высоких частотах, и часто, хотя и не всегда, их соотношение витков составляет 1: 1, поскольку их основная цель — не изменение напряжения, а создание изолирующего барьера. Сигналы часто доводятся до нужных уровней схемой драйвера. Таким образом, можно использовать стандартные трансформаторы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *